3.1.1. Nghiên cứu chọn điều kiện tối ưu của phản ứng chỉ thị
3.1.1.1. Phổ hấp thụ của sản phẩm phản ứng chỉ thị
Chuẩn bị 04 bình định mức dung tích 25 ml, lấy vào 02 bình định mức 3 và 4 các lƣợng As (III) đƣợc lấy từ dung dịch As (III) 100,00 ppm nhƣ sau:
Bình 1-2: mẫu trắng
Bình 3: 1,25 ml dung dịch As (III) 100,00 ppm. Bình 4: 2,50 ml dung dịch As (III) 100,00 ppm.
Thêm vào các bình từ 1- 4 mỗi bình 2,50 ml dung dịch KIO3 2%, thêm vào tất cả các bình, mỗi bình 2,50 ml dung dịch HCl 1M; cuối cùng thêm vào các bình 2, 3 và 4 mỗi bình 1,50 ml dung dịch safranine 0.02 %. Sau đó định mức bằng nƣớc cất đến vạch mức. Sóc trộn đều dung dịch, đem đo độ hấp thụ quang của các dung dịch trong khoảng bƣớc sóng từ 400 – 700 nm với dung dịch so sánh là dung dịch trong bình 1. Kết quả thu đƣợc nhƣ hình 3.1.
Hình 3.1: Phổ hấp thụ quang của dung dịch Safranine khi có mặt As(III), KIO3, HCl (Nồng độ cuối của các tác nhân trong dung dịch lần lượt là: Safranine
Đƣờng 1: Phổ hấp thụ của dung dịch có Safranine, KIO3, HCl
Đƣờng 2: Phổ hấp thụ của dung dịch có As(III) 5ppm,Safranine, KIO3, HCl Đƣờng 3: Phổ hấp thụ của dung dịch có As(III) 10ppm, Safranine, KIO3, HCl Safranine là thuốc thử có màu đỏ, có bƣớc sóng hấp thụ cực đại ở bƣớc sóng λ = 519 nm trong môi trƣờng axit mạnh (đƣờng 1). Khi giữ nguyên nồng độ KIO3 2% và cho thêm As (III) với nồng độ khác nhau 5,0 ppm (đƣờng 2), As (III) 10,0 ppm (đƣờng 3) thì thực nghiệm cho thấy, càng tăng nồng độ của As (III) thì độ hấp thụ quang A của dung dịch phản ứng càng giảm mà không làm chuyển dịch cực đại. Điều đó chứng tỏ khi có As(III) và khi nồng độ As(III) càng lớn thì phản ứng giữa As(III) và KIO3 trong môi trƣờng axit xảy ra càng triệt để, giải phóng ra càng nhiều I2 và I2 oxi hóa safranin tạo ra sản phẩm không màu. Do đó trong các thí nghiệm tiếp theo chúng tôi chọn bƣớc sóng λ = 519 nm để khảo sát.
3.1.1.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian phản ứng
Chuẩn bị 03 bình định mức dung tích 25 ml, lấy vào bình 2 và 3 lần lƣợt thứ tự thuốc thử nhƣ sau:
Bình 1: Mẫu trắng
Bình 2-3: 1,25 – 2,5 ml dung dịch As (III) 100,0 ppm
Thêm vào các bình từ 1-3 mỗi bình 2,50 ml dung dịch KIO3 2%; 2,50 ml dung dịch HCl 1M; 1,50ml dung dịch Safranine 0,02 %, định mức bằng nƣớc cất tới vạch mức. Sóc trộn đều dung dịch. Khảo sát sự giảm độ hấp thụ quang sau 2 phút tính từ khi nhỏ giọt Safranin cuối cùng vào hệ phản ứng, ở bƣớc sóng λ = 519 nm trong khoảng 60 phút với dung dịch so sánh là mẫu trắng . Kết quả thu đƣợc nhƣ hình 3.2.
Hình 3.2: Sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang theo thời gian
(Nồng độ cuối của các tác nhân trong dung dịch lần lượt là: Safranine 0,0012%, KIO3 0,2%, HCl 0,1M)
Đƣờng 1: Dung dịch phân tích khi có KIO3, HCl, Safranine.
Đƣờng 2: Dung dịch phân tích khi có As(III) 5ppm, KIO3, HCl, Safranine. Đƣờng 3: Dung dịch phân tích khi có As(III) 10ppm, KIO3, HCl, Safranine.
Từ đồ thị khảo sát thời gian ta thấy khi không có mặt As(III) độ hấp thụ quang của dung dịch phân tích không thay đổi theo thời gian. Khi có mặt As (III) thì độ hấp thụ quang của dung dịch phân tích giảm so với khi không có mặt As (III) nhƣng cũng không thay đổi theo thời gian. Nồng độ As (III) càng cao thì độ hấp thụ quang của dung dịch phân tích càng giảm, có nghĩa là khi nồng độ As(III) càng cao thì phản ứng giữa nó với KIO3 trong môi trƣờng axit giải phóng ra càng nhiều I2, do đó cƣờng độ màu của thuốc thử safranin càng bị giảm.
3.1.1.3. Ảnh hưởng của nồng độ KIO3
Ảnh hƣởng của nồng độ KIO3 đƣợc khảo sát trong khoảng nồng độ từ 0,04% đến 0,36%
Chuẩn bị 27 bình định mức 25,0 ml, lấy vào các bình thứ tự các thuốc thử sau: Bình 1 - 9: 0,50 – 4,50 ml KIO3 2%; 2,50 ml HCl 1M. Bình 10 - 18: 0,50 – 4,50 ml KIO3 2%; 2,50 ml HCl 1M; 1,50 ml Safranine 0,02 %. Bình 19 - 27: 1,50 ml As(III) 100 ppm ; 0,50 – 4,50 ml KIO3 2%; 2,50 ml HCl 1M; 1,50 ml Safranine 0,02 %.
Định mức bằng nƣớc cất tới vạch mức, sóc trộn đều dung dịch. Đem đo độ hấp thụ quang của dung dịch ở bƣớc sóng 519 nm, với dung dịch so sánh là dung dịch trong các bình 1- 9. Kết quả thu đƣợc biểu diễn dƣới bảng 3.1:
Bảng 3.1: Ảnh hưởng của nồng độ KIO3 đến phép phân tích
(Nồng độ cuối của Safranin là 1,2x10-3%; HCl là 0,1M; As(III) là 6ppm)
Nồng độ KIO3 (%) 0,04 0,08 0,12 0,16 0,20 0,24 A nền 0,948 0,952 0,952 0,954 0,953 0,949 A mẫu 0,655 0,637 0,608 0,607 0,607 0,605 ∆A 0,286 0,315 0,344 0,347 0,346 0,344
Hình 3.3: Ảnh hưởng của nồng độ KIO3 đến độ hấp thụ quang của dung dịch
Anền là độ hấp thụ quang của dung dịch phân tích khi có KIO3, HCl, Safranine. Amẫu là độ hấp thụ quang của dung dịch phân tích khi có As(III), KIO3, HCl, Safranine.
Từ đồ thị khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ KIO3 ta thấy độ hấp thụ quang của phản ứng nền gần nhƣ không thay đổi khi ta cố định nồng độ của HCl và Safranine, tăng dần nồng độ của KIO3. Khi có mặt As(III) cùng với sự tăng nồng độ của KIO3-
từ 0,01 đến 0,36% thì độ hấp thụ quang của hỗn hợp phản ứng ban đầu giảm nhẹ, sau đó gần nhƣ không đổi làm cho hiệu số độ hấp thụ quang giữa tín hiệu đo của phản ứng nền và tín hiệu đo của phản ứng có As(III) cũng gần nhƣ không thay đổi khi nồng độ KIO3 trong khoảng nồng độ từ 0,12 – 0,24 %. Điều này phù hợp với cơ chế của phản ứng cho rằng khi tăng nồng độ As(III) thì phản ứng giải phóng ra nhiều I2 dẫn đến độ hấp thụ quang của hệ phản ứng giảm.Vì vậy ta chọn nồng độ KIO3 là 0,16 % để khảo sát các thí nghiệm tiếp theo.
3.1.1.4. Ảnh hưởng của nồng độ thuốc thử Safranine:
Ảnh hƣởng của nồng độ thuốc thử Safranine đƣợc khảo sát trong khoảng nồng độ từ 0,4x10-3 đến 4x10-3
Chuẩn bị 21 bình định mức 25 ml, lấy vào các bình thứ tự các thuốc thử sau: Bình 1: 2,00 ml KIO3 2%; 2,50 ml HCl 1M (dung dịch so sánh ) Bình 2- 11: 2,00 ml KIO3 2%; 2,50 ml HCl 1M; 0,50 – 5,00 ml Safranine 0,02 % (dung dịch nền )
Bình 12-21: 1,50 ml As(III) 100 ppm ; 2,00 ml KIO3 2%; 2,50 ml HCl 1M; 0,50 – 5,00 ml Safranine 0,02 % (dung dịch mẫu )
Định mức bằng nƣớc cất tới vạch mức, sóc trộn đều dung dịch. Đem đo độ hấp thụ quang của dung dịch ở bƣớc sóng 519 nm, với dung dịch so sánh là dung dịch trong bình 1. Kết quả thu đƣợc biểu diễn dƣới bảng 3.2:
Bảng 3.2: Ảnh hưởng của nồng độ Safranine đến phép phân tích (Nồng độ cuối của KIO3 là 0,16%; HCl là 0,1M; As(III) là 6ppm)
Nồng độ Safranine (x10-3 %) 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 A nền 0,325 0,641 0,945 1,229 1,489 A mẫu 0,234 0,420 0,572 0,752 0,920 ∆A 0,091 0,221 0,373 0,477 0,569 Nồng độ Safranine (x10-3 %) 2,4 2,8 3,2 3,6 4,0 A nền 1,753 1,995 2,214 2,482 2,709 A mẫu 1,089 1,240 1,419 1,601 1,761 ∆A 0,701 0,755 0,795 0,881 0,948
Hình 3.4: Ảnh hưởng của nồng độ Safranine đến độ hấp thụ quang của dung dịch
Từ bảng kết quả thu đƣợc ở hình trên ta thấy với phản ứng nền, khi cố định nồng độ KIO3 và HCl , thay đổi nồng độ của Safranine thì độ hấp thụ quang phải tăng tuyến tính với nồng độ của Safranine. Khi có mặt As(III), theo cơ chế phản ứng sẽ giải phóng ra I2, khi tăng nồng độ Safranine thì sự giảm độ hấp thụ quang xảy ra tỷ lệ thuận với nồng độ Safranine và độ hấp thụ quang A của dung dịch giảm nên đƣờng biểu diễn có hệ số góc thấp hơn đƣờng 1 (phản ứng nền). Hiệu số của đƣờng Anền và đƣờng Amẫu biểu thị tốc độ phản ứng oxi hóa khử cho thấy ở nồng độ Safranin 0,8 x10-3
÷ 1,2 x10-3% thì tín hiệu đo A rất lớn và hiệu số độ hấp thụ quang là cao nhất. Vì vậy nồng độ cuối của Safranine đƣợc chọn cho các thí nghiệm tiếp theo là 1,2 x10-3
%.
3.1.1.5. Ảnh hưởng của nồng độ HCl:
Ảnh hƣởng của nồng độ dung dịch HCl đƣợc khảo sát trong khoảng nồng độ từ 0,04 đến 0,2M.
Chuẩn bị 30 bình định mức 25,0 ml, lấy vào các bình thứ tự các thuốc thử sau:
Bình 1-10: 2.00 ml KIO3 2%; 1,00 – 5,00 ml HCl 1M.
Bình 21-30: 1.50 ml As(III) 100 ppm ; 2.00 ml KIO3 2%; 1,00 – 5,00 ml HCl 1M; 1,5 ml Safranine 0,02 %.
Định mức bằng nƣớc cất tới vạch mức, sóc trộn đều dung dịch. Đem đo độ hấp thụ quang của dung dịch ở bƣớc sóng 519 nm, với dung dịch so sánh là dung dịch trong các bình 1- 10. Kết quả thu đƣợc biểu diễn dƣới bảng 3.3:
Bảng 3.3: Ảnh hưởng của nồng độ HCl
(Nồng độ cuối của KIO3 là 0,16%; Safranin là 1,2x10-3%; As(III) là 6ppm)
Nồng độ HCl (M) 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 A nền 0,948 0,947 0,945 0,941 0,939 A mẫu 0,573 0,574 0,574 0,557 0,568 ∆A 0,375 0,373 0,371 0,371 0,371 Nồng độ HCl (M) 0,14 0,16 0,18 0,20 A nền 0,928 0,925 0,924 0,922 A mẫu 0,566 0,568 0,571 0,569 ∆A 0,362 0,357 0,353 0,353
Từ đồ thị khảo sát ảnh hƣởng của nồng độ HCl ta thấy khi cố định nồng độ KIO3, Safranine, tăng nồng độ của HCl thì độ hấp thụ quang của cả 2 phản ứng có mặt As(III) và không có mặt As(III) đều gần nhƣ không thay đổi. Hiệu số độ hấp thụ quang giữa 2 phản ứng cũng ổn định và hầu nhƣ không thay đổi. Vì vậy nồng độ của HCl đƣợc chúng tôi chọn cho các thí nghiệm tiếp theo là 0,08 M.
Nhƣ vậy sau khi khảo sát chúng tôi chọn nồng độ các chất khi tiến hành phân tích là: KIO3 là 0,16%; Safranin là 1,2x10-3 % và HCl là 0,08M.
3.1.2. Đánh giá phương pháp phân tích
3.1.2.1. Độ chọn lọc của phương pháp phân tích [21]
Theo tài liệu mà chúng tôi tham khảo đƣợc thì phép xác định As(III) bị ảnh hƣởng bởi các ion Ca2+
, Fe3+, Cu2+, Ni2+, Cd2+, Ba2+, Bi3+, Al3+, Co3+, V5+, Zn2+, PO43-, SO42-, NO3-... do chúng có khả năng tham gia phản ứng oxi hóa khử với các chất trong hệ hoặc đơn giản chỉ làm thay đổi lực ion của dung dịch. Tuy nhiên, với mục đích xác định hàm lƣợng As(III) trong mẫu môi trƣờng (nƣớc ngầm) chúng tôi chỉ khảo sát ảnh hƣởng của các ion chủ yếu nhƣ: Fe3+
, Ca2+, Ba2+, Zn2+, SO42-, NO3-, Cu2+.
Khảo sát ảnh hưởng của ion NO3- đến phép xác định As(III) 6ppm
Chuẩn bị 10 bình định mức dung tích 25 ml, đánh số thứ tự từ 1 – 10, cho vào các bình từ bình 3 đến bình 10 mỗi bình 1,5 ml As(III) 100ppm; rồi thêm vào các bình 4 đến bình 10 từ 0,25 – 12,50 ml dung dịch NO3-
100ppm tƣơng ứng với nồng độ NO3-
thay đổi từ 1 – 50 ppm. Sau đó thêm vào tất cả các bình thứ tự các thuốc thử sau:
Bình 1: 2,00 ml KIO3 2%; 2,00 ml HCl 1M
Bình 2: 2,00 ml KIO3 2%; 2,00 ml HCl 1M; 1,50 ml Safranine 0,02% Bình 3 – 10: 2,00 ml KIO3 2%; 2,00 ml HCl 1M; 1,50 ml Safranine 0,02%
Định mức bằng nƣớc cất tới vạch mức, sóc trộn đều dung dịch. Đem đo độ hấp thụ quang của các dung dịch ở bƣớc sóng 519 nm, với dung dịch so sánh là dung dịch trong bình 1. Kết quả thu đƣợc nhƣ trong bảng 3.4:
Bảng 3.4: Ảnh hưởng của ion NO3 - đến phép xác định As(III)(CAs(III)= 6 ppm) CNO3- (ppm) 1 3 6 10 20 30 40 50 A nền 0,943 0,943 0,943 0,943 0,943 0,943 0,943 0,943 A mẫu 0,573 0,573 0,573 0,573 0,573 0,573 0,573 0,573 A ion cản 0,575 0,579 0,583 0,592 0,602 0,616 0,638 0,670 Sai số (%) -0,54 -1,62 -2,70 -5,14 -7,84 -11,62 -17,57 -26,22
Nhận xét: Với sai số của phƣơng pháp xác định khoảng ±15% thì ngƣỡng ảnh hƣởng là khi hàm lƣợng của ion NO3-
gấp 7 lần As(III), nhƣng hàm lƣợng của ion NO3- trong mẫu chƣa đạt đến ngƣỡng ảnh hƣởng hoặc đã bị loại trừ khi xử lý mẫu.
Khảo sát ảnh hưởng của ion SO42- đến phép xác định As(III) 6ppm
Chuẩn bị 10 bình định mức dung tích 25 ml, đánh số thứ tự từ 1 – 10, cho vào các bình từ bình 3 đến bình 10 mỗi bình 1,5 ml As(III) 100ppm; rồi thêm vào các bình 4 đến bình 10 từ 0,25 – 12,50 ml dung dịch SO42-
100ppm tƣơng ứng với nồng độ SO42-
thay đổi từ 1 – 50 ppm. Sau đó thêm vào tất cả các bình thứ tự các thuốc thử sau:
Bình 1: 2,00 ml KIO3 2%; 2,00 ml HCl 1M
Bình 2: 2.00 ml KIO3 2%; 2,00 ml HCl 1M; 3,50 ml Safranine 0,02% Bình 3 – 10: 2.00 ml KIO3 2%; 2,00 ml HCl 1M; 1,50 ml Safranine 0,02% Định mức bằng nƣớc cất tới vạch mức, sóc trộn đều dung dịch. Đem đo độ hấp thụ quang của các dung dịch ở bƣớc sóng 519 nm, với dung dịch so sánh là dung dịch trong bình 1. Kết quả thu đƣợc nhƣ trong bảng 3.5:
Bảng 3.5: Ảnh hưởng của ion SO42- đến phép xác định As(III)(CAs(III)= 6 ppm) CSO42- (ppm) 1 3 6 10 20 30 40 50 A nền 0,943 0,943 0,943 0,943 0,943 0,943 0,943 0,943 A mẫu 0,573 0,573 0,573 0,573 0,573 0,573 0,573 0,573 A ion cản 0,559 0,561 0,570 0,580 0,594 0,635 0,723 0,891 Sai số (%) 3,78 3,24 0,81 -1,89 -5,68 -16,97 -40,54 -85,95
Nhận xét: Với sai số của phƣơng pháp xác định khoảng ±15% thì ngƣỡng ảnh hƣởng là khi hàm lƣợng của ion SO42- gấp 5 lần As(III), nhƣng hàm lƣợng của ion SO42- trong mẫu chƣa đạt đến ngƣỡng ảnh hƣởng hoặc đã bị loại trừ khi xử lý mẫu.
Khảo sát ảnh hưởng của ion Ca2+ đến phép xác định As(III) 2ppm
Chuẩn bị 10 bình định mức dung tích 25 ml, đánh số thứ tự từ 1 – 10, cho vào các bình từ bình 3 đến bình 10 mỗi bình 0,5 ml As(III) 100ppm; rồi thêm vào các bình 4 đến bình 10 từ 0,05 – 7,50 ml dung dịch Ca2+
1000 ppm tƣơng ứng với nồng độ Ca2+
thay đổi từ 6 – 300 ppm. Sau đó thêm vào tất cả các bình thứ tự các thuốc thử sau:
Bình 1: 2,00 ml KIO3 2%; 2,00 ml HCl 1M
Bình 2: 2.00 ml KIO3 2%; 2,00 ml HCl 1M; 1,50 ml Safranine 0,02% Bình 3 – 10: 2.00 ml KIO3 2%; 2,00 ml HCl 1M; 1,50 ml Safranine 0,02%
Định mức bằng nƣớc cất tới vạch mức, sóc trộn đều dung dịch. Đem đo độ hấp thụ quang của các dung dịch ở bƣớc sóng 519 nm, với dung dịch so sánh là dung dịch trong bình 1. Kết quả thu đƣợc nhƣ trong bảng 3.6:
Bảng 3.6: Ảnh hưởng của ion Ca2+ đến phép xác định As(III)(CAs(III)= 2 ppm) CCa2+ (ppm) 2 25 50 100 150 200 250 300 A nền 0,951 0,951 0,951 0,951 0,951 0,951 0,951 0,951 A mẫu 0,846 0,846 0,846 0,846 0,846 0,846 0,846 0,846 A ion cản 0,842 0,844 0,845 0,850 0,854 0,858 0,861 0,866 Sai số (%) 3,81 1,91 0,95 -3,81 -7,62 -11,43 -14,29 -19,05
Nhận xét: Với sai số của phƣơng pháp xác định khoảng
±15% thì ngƣỡng ảnh hƣởng là khi hàm lƣợng của ion Ca2+ gấp 150 lần As(III), nhƣng hàm lƣợng của ion Ca2+ trong mẫu chƣa đạt đến ngƣỡng ảnh hƣởng hoặc đã bị loại trừ khi xử lý mẫu.
Khảo sát ảnh hưởng của ion Ba2+ đến phép xác định As(III) 2ppm
Chuẩn bị 10 bình định mức dung tích 25 ml, đánh số thứ tự từ 1 – 10, cho vào các bình từ bình 3 đến bình 10 mỗi bình 0,5 ml As(III) 100ppm; rồi thêm vào các bình 4 đến bình 10 từ 0,05 – 7,5 ml dung dịch Ba2+
1000 ppm tƣơng ứng với nồng độ Ba2+
thay đổi từ 2 – 300 ppm. Sau đó thêm vào tất cả các bình thứ tự các thuốc thử sau:
Bình 1: 2,00 ml KIO3 2%; 2,00 ml HCl 1M
Bình 2: 2.00 ml KIO3 2%; 2,00 ml HCl 1M; 1,50 ml Safranine 0,02% Bình 3 – 10: 2.00 ml KIO3 2%; 2,00 ml HCl 1M; 1,50 ml Safranine 0,02%
Định mức bằng nƣớc cất tới vạch mức, sóc trộn đều dung dịch. Đem đo độ hấp thụ quang của các dung dịch ở bƣớc sóng 519 nm, với dung dịch so sánh là dung dịch trong bình 1. Kết quả thu đƣợc nhƣ trong bảng 3.7: